JP6109941B2 - 材料の組み合わせを連続的に処理する機械システムおよび方法 - Google Patents
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Description
本特許出願は、2012年8月20日に出願した「Continuous Acoustic Processing」という名称の米国特許仮出願第61/742,923号の利益を主張するものである。前述の出願の開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。
図1〜図3は、連続処理システム10の異なる例を示す。連続処理システム10は、音響撹拌器11および連続処理容器18を含むことができる。処理容器18は、少なくとも1つの処理原料を導入するように構成された第1の入口20と、処理容器18を通して処理原料の流れを導くように構成された、音響撹拌器11が発生させた音響エネルギーを処理原料へ伝達することができる複数のプレート22と、処理原料が、音響エネルギーにさらされながら、処理容器18の一部分を通った後、処理原料の生成物を排出するための出口26と、処理容器18を音響撹拌器11に対して取外し可能に結合するための締結具30とを含むことができる。より詳細に以下で論じられるように、処理容器18の形状は様々な異なる実装形態に構成することができ、多くの様々な構成要素を含むことができる。処理容器18の様々な実装形態は、処理原料の、たとえば混合、組み合わせ、乾燥、コーティング、分離、および反応といった様々な処理を支援することができる。
図6〜図16は、連続処理システム10で使用するのに適している処理容器18の様々な例の断面図を示す。処理容器18は、様々な形状およびサイズに構成され得、混合される、組み合される、乾燥される、コーティングされる、分離される、かつ/または反応する生成物と、所望の最終生成物とに基づいて多くの様々な構成要素を含むことができる。
処理システム10は、様々な異なる用途において様々な異なる材料を処理することができる。これを可能にするために、処理容器18に材料を導入するための様々な技法および方法が使用され得る。連続処理における処理材料の課題の1つは、均一な生成物を得ることである。そうするには、処理容器に処理原料を均一に送るように注意しなければならない。処理原料の導入において均一性を向上するためのやり方の1つには、噴霧ノズルで処理原料を導入するものがある。
処理システム10は、たとえば材料の混合、組み合わせ、乾燥、コーティング、分離、および/または反応といった、熱の追加または除去を必要とする様々な処理を結び付けるのに使用され得る。処理容器18内の処理中に材料に対して行われている作用の結果として、熱が放散され得る。この熱は望ましいものではなく、したがって、いくつかの反応については、処理容器18内の材料または処理容器18を冷却するのが望ましいことがある。
前述のように、処理システム10は、様々な用途において広範な材料を処理するのに使用され得る。一実装形態では、処理システム10は、たとえば液体、気体、または固体といった様々な物質およびこれらの物質の組合せを、処理容器18の任意のレベルに噴霧するように構成され得る。この能力により、様々な化学物質からの材料の形成における効率の向上が可能になる。具体的には、連続した撹拌槽型反応器(CSTR)における化学製品加工産業の主流(main stay)。このタイプの反応器では、化学物質が容器の中へ同時に噴霧され、次いで、インペラを用いて混合される。反応における供給材料として使用される化学物質に依拠して、反応がかなり複雑になる可能性があり、望ましくない生成物が生成され、または歩留まりの低下をもたらす。より効率的なCSTRの機能および省スペースのために、処理システム10が使用され得る。
第1の例では、処理システム10aは、粉末-粉末混合システムに使用され得る。そのような混合処理では、各粉末は、類似の密度を有するものの大差がある粒径範囲を有するのが一般的である。95重量パーセント(wt%)のグラニュー糖と5wt%のD-グルコース(ブドウ糖)粉末を混合するときの混合効率を定量化するために、実験を行った。D-グルコース粉末は、0.25重量パーセントの流れ添加物を含有していた。グラニュー糖は600マイクロメートル(μm)の公称粒径を有し、D-グルコース粉末は100μmの公称粒径を有するものであった。グラニュー糖のかさ密度は、0.80〜0.88グラム/立方センチメートル(g/cc)であった。D-グルコースのかさ密度は0.64g/ccであった。
第2の例では、処理システム10aは、医薬品のための粉末-粉末システムの処理に使用され得る。製薬産業では、微結晶性セルロース粉末は、医薬品有効成分(API)を搬送するのに使用される一般的な補形薬のうちの1つである。95wt%のAvicel(登録商標)PH-200微結晶性セルロース粉末と、0.25wt%の流れ添加物を含有している5wt%のD-グルコース(ブドウ糖)粉末とを混合するときの処理システムの混合効率を定量化するために実験を行った。Avicel(登録商標)PH-200は210μmの中央粒径を有し、D-グルコース粉末の公称粒径は100μmである。D-グルコースの0.64g/ccのかさ密度と比較して、Avicel(登録商標)PH-200は0.29〜0.36g/ccのかさ密度を有する。
第3の例では、処理システム10aは、粉末-粉末システムを処理するのに使用され得、処理容器18aは制限された出口26aを有する。処理容器18aが制限された出口26aを有して構成されているときの、粉末-粉末混合の混合特性を定量化するために実験を行った。実験は、95wt%のAvicel(登録商標)PH-200微結晶性セルロース粉末と、0.25wt%の流れ添加物を含有している5wt%のD-グルコース(ブドウ糖)粉末とを利用した。Avicel(登録商標)PH-200は210μmの中央粒径を有し、D-グルコース粉末の公称粒径は100μmである。D-グルコースの0.64g/ccのかさ密度と比較して、Avicel(登録商標)PH-200は0.29〜0.36g/ccのかさ密度を有する。
第4の例では、処理システム10aは、材料輸送の改善を確立するために使用され得る。たとえば気液質量輸送といった化学反応の遂行に関する重要な指標を定量化するために実験を行った。この実装形態が魅力的な化学処理条件もたらすことを示すために、いくつかの予備試験を行った。これらの試験は、次の通り、酸素の伝達速度を測定するステップを含んでおり、結果を図23に示す。元は粉末-粉末混合のために設計された図23(この試験中に得られた予備酸素質量伝達速度データのグラフを示す)のプロトタイプ連続混合器を通って61L/minで流れている水の中の酸素を追い出すために、10L/minまたは20L/minで一緒に流れる(flowing co-currently)窒素を使用した。これらの試験で使用した処理容器は、特に液体流動向けに設計されたものではなく、これらの実験で使用した水と窒素の比は最適化されたものではないが、0.5sec-1というkLa値は非常に優れたものである。(点線で結ばれている白い3角形として示されたより高いデータポイントは、kLa値を計算するには出口で酸素を除去しすぎたものである)。これらの予備試験で得られたkLa値は、CSTRで達成可能な値(一般的には0.01〜0.05sec-1の範囲であり、報告された最大値でも0.2sec-1までしか達成されていない)を大幅に上回る。この実装形態は、特に、最適化された動作条件(流量、加速度、気体/液体比、および保持時間)を有することになる液体ベース多相システム用の処理容器として使用され得る。撹拌の乱流の性質によってもたらされた大きい境界面積のために、試験条件を最適化すると、図23に示された結果よりもkLaが増加するはずである。
第5の例では、処理システム10aは液体-液体処理に使用され得、処理容器18aは制限された出口26aを有する。この例では、処理システム10aは、2つのホッパ8aと、支持フレーム9aと、音響撹拌器11aに結合された処理容器18aとを含むものであった。音響撹拌器11aは、電気キャビネット12aおよび共振組立体14aを含むものであった。処理容器18aは、それぞれが約1.43°の傾斜を有する12枚の8"×8"のプレート22aを有して構成されていた。加えて、プレート22aのそれぞれが、プレート22aの一端の中へ切り込む8つのオリフィス23aを有して構成され、水溶液が処理容器18a内の次のレベルに流れることを可能にするものであった。オリフィス23aは、100%開くように構成されていた。
2b 入口
2c 入口
2d 入口
2e 入口
4 出口ポート
6a 加熱プレート
6b 冷却プレート
8a ホッパ
8b ホッパ
9a 支持フレーム
9b 支持フレーム
9d 支持フレーム
10a 処理システム
10b 処理システム
10c 処理システム
11a 音響撹拌器
11b 音響撹拌器
11c 音響撹拌器
11d 音響撹拌器
12b 電気キャビネット
13b ドラム
18a 処理容器
18b 処理容器
18c 処理容器
18e 処理容器
18f 処理容器
18g 処理容器
18h 処理容器
18i 処理容器
18j 処理容器
18k 処理容器
18m 処理容器
18n 処理容器
18o 処理容器
18p 処理容器
18q 処理容器
18r 処理容器
18s 処理容器
18t 処理容器
18u 処理容器
18v 処理容器
20e 入口
20f 入口
20g 入口
20h 入口
20i 入口
20j 入口
20k 入口
20m 入口
20o 入口
20p 入口
20q 入口
20r 入口
20s 入口
20t 入口
20u 入口
20v 入口
21d 材料追加ポート
22a プレート
22d プレート
22e プレート
22f プレート
22g プレート
22h プレート
22i プレート
22k プレート
22l プレート
22m プレート
22n プレート
22o プレート
22p プレート
22q プレート
22r プレート
22s プレート
22t プレート
22u プレート
22v プレート
23e オリフィス
23f オリフィス
23k 可調オリフィス
23l オリフィス
23o オリフィス
23t オリフィス
23u オリフィス
23v オリフィス
24o 出口室
24v 出口室
25v アライメントロッド
26a 出口
26b 出口
26d 出口
26e 出口
26f 出口
26g 出口
26h 出口
26i 出口
26k 出口
26n 出口
26p 出口
26q 出口
26r 出口
26s 出口
26t 出口
26u 出口
27v 天板
29v 底部出口
30k オリフィス板ロック
30l オリフィス板ロック
32k 可調オリフィス板
32l 可調オリフィス板
34e 容器部分
34f 容器部分
35f ねじ込み継手
36e 支持締結具
36v 支持締結具
40e 基部
40f 基部
40v 基部
42p 流体入口ポート
42q 流体入口ポート
42s 流体入口ポート
42t 流体入口ポート
42u 流体入口ポート
43t 流体出口ポート
43u 流体出口ポート
44c 噴霧器
44p 噴霧器
44q 噴霧器
44r 噴霧器
44s 噴霧器
46f 容器部分終端のねじ
50 流体経路
54i 連続した斜面
56i 可変の間隔
70 コイル管
73m 開口
73n 開口
74a 出口
74b 出口
74c 出口
74d 出口
90g プレート角度
91g 間隙サイズ
92h プレート角度
94 粉砕媒体
100o 通気孔
100p 通気孔
102 出口弁
104 レベルセンサ
110 スイープガスポート
112 温度センサ
114 近赤外線センサ
120 バッフル
122 通気孔
126 溝形の縁部
128 槽
130 キャビネット
132 供給ライン
134 フード
Claims (37)
- 連続処理容器に取外し可能に結合することができる音響撹拌器と、
連続処理容器であって、
前記連続処理容器の頂部に面して配置されると共に、少なくとも1つの処理原料を導入するように構成された第1の入口と、
垂直軸線に沿って前記第1の入口の下方に積み重ねられると共に前記連続処理容器を横切ってかつ前記第1の入口から下方に前記連続処理容器を通して前記少なくとも1つの処理原料の流れを導くように構成された複数のプレートであって、この複数のプレートは、前記音響撹拌器が発生させた音響エネルギーを前記少なくとも1つの処理原料へ伝達することができる複数のプレートと、
前記第1の入口および前記複数のプレートの下方で前記連続処理容器の底部に配置された出口であって、この出口は、前記少なくとも1つの処理原料が、前記複数のプレートのうち少なくとも1枚によって伝達された前記音響エネルギーにさらされながら、前記連続処理容器の少なくとも一部分を通った後、前記少なくとも1つの処理原料の生成物を放出するよう構成された出口と、
前記連続処理容器を前記音響撹拌器に対して取外し可能に結合するための締結具と
を備える連続処理容器と
を備え、
前記少なくとも1つの処理原料が、少なくとも重力によって、前記第1の入口から下方に、前記複数のプレートを横切り、前記連続処理容器を通って、前記出口へと流動する間、前記音響撹拌器は1kHz未満の周波数で前記複数のプレートを含む前記連続処理容器全体を振動させるよう構成される、材料の組み合わせを連続的に処理するためのシステム。 - 前記連続処理容器が複数のレベルを有して構成されており、各レベルが、前記複数のプレートのうち少なくとも1枚を備える請求項1に記載のシステム。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも2枚のプレート角度が、異なる角度に構成されている請求項1に記載のシステム。
- 前記プレート角度が、1度から75度の範囲である請求項3に記載のシステム。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも1枚の表面が、至るところに形成された、こし器として働く複数の開口を有する請求項1に記載のシステム。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも1枚が、前記少なくとも1つの処理原料が前記連続処理容器の次のレベルに流れることを可能にするためのオリフィスをさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記オリフィスが、前記オリフィスのサイズを調節するための手段をさらに備える請求項6に記載のシステム。
- 前記複数のプレートに結合された、または前記複数のプレートと一体化して形成されたバッフルをさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記締結具が、前記音響撹拌器および前記連続処理容器のうちの1つに対して、恒久的に貼り付けられ、または一体化して形成されている請求項1に記載のシステム。
- 前記締結具が、ねじ、ナット、ボルト、クランプ、ねじ式締結具、または掛け金のうち少なくとも1つを備える請求項1に記載のシステム。
- 前記連続処理容器が取外し可能な部分を含んでいる請求項1に記載のシステム。
- 前記連続処理容器の前記取外し可能な容器部分を一緒に接合するための複数の締結具をさらに備える請求項11に記載のシステム。
- 前記取外し可能な部分がスペーサ部分およびプレート部分を備える請求項11に記載のシステム。
- 前記連続処理容器内で前記複数のプレートのうち少なくとも2枚の間に配設された粉砕媒体をさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記複数のプレートの温度を制御するための手段をさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記複数のプレートを冷却するために冷媒を搬送するための流体経路をさらに備える請求項15に記載のシステム。
- 前記複数のプレートを加熱するために加熱流体を搬送するための流体経路をさらに備える請求項15に記載のシステム。
- 抵抗加熱要素をさらに備える請求項15に記載のシステム。
- 前記連続処理容器が、前記連続処理容器の内壁と外壁の間に配置された空洞をさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記空洞が、前記連続処理容器の温度を制御するための冷却装置または加熱装置をさらに備える請求項19に記載のシステム。
- 前記第1の入口に加えて、前記複数の材料を導入するために前記連続処理容器に結合された噴霧ノズルをさらに備える請求項1に記載のシステム。
- 前記連続処理容器の中へ材料を噴霧するように前記連続処理容器に結合された複数の噴霧ノズルと、前記連続処理容器から材料を抽出するように前記連続処理容器に結合された複数の抽出ポートと
をさらに備える請求項1に記載のシステム。 - 前記連続処理容器に結合された出口弁と、
前記出口弁を制御するように前記連続処理容器に結合されたレベルセンサと
をさらに備える請求項1に記載のシステム。 - 音響撹拌器に連続処理容器を取外し可能に結合するステップであって、前記連続処理容器が、垂直軸線に沿って積み重ねられると共に前記連続処理容器を横切ってかつ前記連続処理容器を通して下方に少なくとも1つの処理原料の流れを導くように構成された複数のプレートを備え、前記複数のプレートは前記音響撹拌器が発生させた音響エネルギーを前記少なくとも1つの処理原料へ伝達することができる、ステップと、
前記複数のプレートの上で前記連続処理容器の頂部に面して配置された第1の入口によって前記少なくとも1つの処理原料を導入するステップと、
前記1つの処理原料が、少なくとも重力によって、前記第1の入口から下方に、前記複数のプレートを横切り、前記連続処理容器を通って流動する間、前記音響撹拌器によって、1kHz未満の周波数で前記複数のプレートを含む前記連続処理容器全体を振動させることによって、前記複数のプレートに音響エネルギーを供給するステップと、
前記少なくとも1つの処理原料が、前記複数のプレートのうち少なくとも1枚によってそれに伝達された前記音響エネルギーにさらされながら、前記連続処理容器の少なくとも一部分を通った後、前記第1の入口および前記複数のプレートの下方で前記連続処理容器の底部に配置された出口を通して、前記少なくとも1つの処理原料の生成物を放出するステップと
を含む、材料の組み合わせを連続的に処理するための方法。 - 前記連続処理容器に結合された噴霧ノズルから少なくとも1つの処理原料を導入するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 複数の噴霧ノズルによって、少なくとも1つの処理原料を、前記連続処理容器に結合された複数のポートを通して、前記連続処理容器の中へ噴霧するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記連続処理容器から、前記少なくとも1つの処理原料を、前記連続処理容器に結合された抽出ポートを通して抽出するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの処理原料の流れを前記連続処理容器のあるレベルから次のレベルへと制御するステップであって、前記連続処理容器が複数のレベルを備え、各レベルが、前記複数のプレートのうち少なくとも1枚を備えるステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも1枚を通って形成されたオリフィスのサイズを調節することによって前記流れを制御するステップをさらに含む請求項28に記載の方法。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも1枚のプレート角度を変えることによって前記流れを制御するステップをさらに含む請求項28に記載の方法。
- 前記連続処理容器の中の前記少なくとも1つの処理原料を粉砕するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記連続処理容器の中の前記少なくとも1つの処理原料をふるいにかけるステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記複数のプレートのうち少なくとも1枚の温度を制御するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記連続処理容器の温度を制御するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの処理原料が、2枚のプレートのうち一方の底面および他方の頂面と接触することを可能にするように、前記複数のプレートのうち前記少なくとも2枚を構成するステップをさらに含む請求項24に記載の方法。
- 前記処理が化学反応を含み、前記処理原料が化学反応物質を含む請求項24に記載の方法。
- 前記処理が、競合的逐次化学反応および競合的並発化学反応のうち1つを含む請求項24に記載の方法。
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